Video-Streaming ist so selbstverständlich geworden, dass wir kaum noch darüber nachdenken: Wie ist es möglich, hochwertige Videos in Echtzeit über das Internet zu übertragen? Die Antwort liegt in einer zentralen Technologie: Videokompression.
Warum ist Kompression wichtig?
Schauen wir uns ein typisches 1080p-Video an:
- Auflösung: 1920 x 1080 Pixel
- Farbtiefe: 24 Bit pro Pixel
- Bildrate: 30 Bilder pro Sekunde
Unkomprimiert entspricht das fast 1,5 Gigabit pro Sekunde, also viel zu groß, um effizient gespeichert, geteilt oder gestreamt zu werden. Hier kommt die Kompression ins Spiel.
Was sind Codecs?
Das Rückgrat der Videokompression ist der Codec (Kurzform für Coder-Decoder).
- Encoding: komprimiert die Daten, damit sie leichter gespeichert und übertragen werden können.
- Decoding: dekomprimiert die Daten und rekonstruiert das Video so nah wie möglich am Original.
Codecs sind nicht nur auf Video beschränkt, sondern werden auch für Audio, Bilder und andere digitale Signale verwendet. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns jedoch darauf, wie sie Video nutzbar machen.
Zwei Arten, wie Videos komprimiert werden
1. Intra-Frame-Codierung (räumliche Kompression)
Das ähnelt der Kompression von statischen Bildern:
- Redundante oder weniger sichtbare Details werden reduziert.
- Die verbleibenden Daten werden effizienter gespeichert.
Jeder Videoframe wird wie ein eigenständiges Bild behandelt. Das allein spart bereits viel Speicherplatz.
2. Inter-Frame-Codierung (zeitliche Kompression)
Die meisten Videos enthalten viele Frames, die sich von einem zum nächsten kaum verändern. Anstatt jeden Frame vollständig zu speichern, suchen Codecs nach Ähnlichkeiten:
- Identische Frames: Wenn sich nichts ändert, speichert der Encoder einen Frame und wiederholt ihn einfach.
- Blockbasierte Kompression: Frames werden in Blöcke aufgeteilt. Blöcke, die sich nicht ändern, werden wiederverwendet.
- Bewegungsschätzung & -kompensation: Wenn sich Blöcke leicht bewegen, zeichnen Codecs Bewegungsvektoren auf, die ihre Verschiebung zeigen. Anstatt einen neuen Block zu speichern, sichert der Codec Anweisungen, wie er verschoben wird.
- Residual-Frames: Alle verbleibenden Unterschiede werden als kleinere „Residual“-Frames gespeichert, die sich leichter komprimieren lassen als vollständige Bilder.
Das Ergebnis: eine Abfolge aus Referenzframes plus Residualframes, die die Videogröße erheblich reduziert.
Das Zusammenspiel
Klassische Videokompression kombiniert beide Ansätze:
- Intra-Frame-Codierung, um Redundanzen innerhalb eines Frames zu reduzieren.
- Inter-Frame-Codierung, um Redundanzen zwischen den Frames zu reduzieren.
Dieser hybride Ansatz wird von gängigen Standards wie H.264 (MPEG-4 AVC), H.265 (HEVC) und VP9 verwendet. Diese Codecs balancieren Kompressionseffizienz und Bildqualität bei gleichzeitig vertretbarem Rechenaufwand.
Die Zukunft der Videokompression
Auch wenn heutige Codecs sehr ausgereift sind, wird weiter geforscht. Verfahren auf Basis von Machine Learning und KI zeigen Potenzial, klassische blockbasierte Methoden zu übertreffen. Das Ziel: die wahrgenommene Qualität maximieren und gleichzeitig die Dateigröße minimieren.
Obwohl aktuelle Standards schwer zu übertreffen sind, gehen viele davon aus, dass vollständig trainierbare KI-Codecs langfristig einen neuen Maßstab für Kompressionstechnologie setzen werden.
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Fazit
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